倒裝發光器件的製作方法

2023-05-24 20:14:46 2

專利名稱：倒裝發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及倒裝發光器件，具體地涉及通過減小歐姆接觸層吸收的光的數量而實現具有改進反射率的p型電極的倒裝發光器件。
背景技術：
通過利用半導體的特性而將電信號轉換成光的半導體發光器件，例如發光二極體(LED)，被應用於各種應用領域，例如顯示器件和照明器件。
根據光從發光器件出射的方向，半導體發光器件被分類成頂部發射發光器件和倒裝發光器件。
頂部發射發光器件發射的光穿過與p型半導體層形成歐姆接觸的p型電極。通常通過在p型半導體層上依次堆疊鎳(Ni)層和金(Au)層而形成該p型電極。然而，由鎳/金層形成的p型電極只是半透明的，因此採用p型電極的頂部發射發光器件具有低的發光效率和低的亮度。
倒裝發光器件構造成使得由有源層產生的光被形成於p型半導體層上的反射p型電極反射，反射光發射穿過襯底。圖1為說明了反射p型電極的反射率與倒裝發光器件的光抽取效率之間關係的曲線圖。如該曲線圖所示，反射p型電極的反射率顯著地影響倒裝發光器件的光抽取效率。因此，反射p型電極由高度反光材料形成，例如銀(Ag)、鋁(Al)或銠(Rh)。採用反射p型電極的倒裝發光器件可具有高的光學效率和高的亮度。然而，由於反射p型電極在p型半導體層上具有高的接觸電阻，所以採用反射p型電極的發光器件的工作電壓大，且發光器件的特性不穩定。
為了解決這些問題，發明人已經對具有低接觸電阻和高反射係數的電極材料和電極結構進行了研究。
國際專利申請第WO01/47038A1公開了一種具有反射電極的半導體發光器件。在這種情況中，由鈦(Ti)或鎳/金(Ni/Au)形成的歐姆接觸層被插在反射電極和p型半導體層之間，但由於歐姆接觸層具有高的光吸收率而仍然發生光損耗。因此，所公開的傳統半導體發光器件具有低光學效率和低亮度的缺點。為了克服這些缺點，半導體發光器件的電極結構需要改進。

發明內容
本發明提供了一種倒裝發光器件，該發光器件具有p型半導體層和反射電極之間減小的接觸電阻並具有改進的光學效率。
根據本發明的一個方面，提供了一種倒裝發光器件，包含襯底、形成於襯底頂面上的n型半導體層、形成於n型半導體層頂面上的有源層、形成於有源層頂面上的p型半導體層、形成於p型半導體層頂面上的p型電極、以及形成於n型半導體層頂面暴露部分上的n型電極，其中p型電極包含歐姆接觸層，沿靠近n型電極的p型半導體層的頂面的邊緣形成為預定寬度；以及反射層，覆蓋歐姆接觸層以及未被歐姆接觸層覆蓋的p型半導體層的頂面部分。


通過詳細地描述本發明的示範性實施方案並參考附圖，本發明的上述和其它特徵及優點將變得更加顯而易見，附圖中圖1為說明p型電極反射率和傳統倒裝發光器件的光抽取效率之間關係的曲線圖；圖2為根據本發明實施方案的倒裝發光器件的頂視圖；圖3為圖2的倒裝發光器件的中心單元A的剖面視圖；圖4為說明圖2的倒裝發光器件的電阻結構的等效電路圖；圖5為說明歐姆接觸層寬度和圖2的倒裝發光器件的電阻之間關係的曲線圖；圖6為說明歐姆接觸層寬度與使圖2的倒裝發光器件流過20mA電流所施加的正向電壓之間關係的曲線圖；圖7為說明歐姆接觸層寬度與圖2的倒裝發光器件的規一化光功率之間關係的曲線圖；以及圖8為根據本發明另一個實施方案的倒裝發光器件的剖面視圖。
具體實施例方式
現在將參考附圖更加全面地描述本發明，附圖中示出了本發明的示範性實施方案。
圖2為根據本發明實施方案的倒裝發光器件的頂視圖，圖3為圖2的倒裝發光器件的中心單元A的剖面視圖。參考圖2和3，倒裝發光器件具有多個單元，這些單元具有相同結構並排列成3×3陣列。可以使用襯底10、置於襯底10上的n型半導體層11以及置於n型半導體層11上的n型電極19。有源層12、p型半導體層13和p型電極16在n型半導體層11上排列成3×3陣列。
中心單元A形成使得n型半導體層11、一個有源層12、一個p型半導體層13以及一個p型電極16依次堆疊在襯底10的頂面上，且n型電極19形成於n型半導體層11的頂面的暴露部分上。這裡，本實施方案的倒裝發光器件的特徵在於，p型電極16具有歐姆接觸層14，該歐姆接觸層14具有預定寬度I，並沿靠近n型電極19的p型半導體層13的頂面的邊緣形成，其中在該邊緣發生電流集聚(current crowding)效應。本實施方案的倒裝發光器件的特徵還在於具有反射層15，該反射層15覆蓋歐姆接觸層14以及未被歐姆接觸層14覆蓋的p型半導體層13的一部分。通過簡單地調整典型掩模的設計，可以容易地實現這種結構。
襯底10可由由藍寶石(Al2O3)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、矽(Si)和砷化鎵(GaAs)組成的組中之一形成。堆疊在襯底10頂面上的n型半導體層11可由n-GaN基III-V族氮化物半導體形成。堆疊在n型半導體層11頂面上的有源層12可由GaN基III-V族氮化物化合物半導體，例如包含預定數量的鋁(Al)的InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1)形成。有源層12可形成多量子阱結構或單量子阱結構。有源層12的結構並不限制本發明的技術範圍。堆疊在有源層12頂面上的p型半導體層13可由p-GaN基III-V族氮化物化合物半導體形成。
可以使用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、等離子體雷射沉積(PLD)、雙型熱蒸發(dual-type thermal evaporation)或者濺鍍形成各層。
未被有源層12和p型半導體層13覆蓋的n型半導體層11的部分被暴露，接著n型電極19被置於n型半導體層11的暴露部分上。
通過在p型半導體層13的頂面上依次堆疊歐姆接觸層14和反射層15，形成p型電極16。
當電流被注入p型電極16時，由於已知的電流集聚效應，電流集聚到靠近n型電極19的區域，這將在稍候進行描述。本實施方案的倒裝發光器件利用電流集聚效應改善光抽取效率而沒有顯著增大工作電壓。為此，歐姆接觸層14沿靠近n型電極19的p型半導體層13的頂面的邊緣，即沿發生電流集聚效應的區域，形成為預定寬度I。
歐姆接觸層14減小了反射層15和p型半導體層13之間的接觸電阻。歐姆接觸層14可由由Pd、Pt、Ni、Rh、Ti、Ir、Ru、Ga、ZnNi和ITO組成的組之一形成，厚度範圍為約1至100。
歐姆接觸層14的寬度I範圍可約為0.8LS至1.2LS，以完全覆蓋發生電流集聚效應的區域。這裡，LS表示電流擴展長度，與電流集聚效應的程度有關。沿p型半導體層13邊緣發生的電流集聚效應在「Current Crowding andOptical Saturation Effects in GaInN/GaN Light-Emitting Diodes Grown onInsulating Substrates」，Applied Physics Letters Vol.78.pp3337，2001中被公開。根據這篇文章，電流集聚效應主要發生在沿靠近n型電極19的p型半導體層13頂面的臺面邊緣。在這篇文章中，電流擴展長度LS表述成LS=(c+ptp)tn/n...(1)]]>其中ρc為p型電極16的接觸電阻，ρp為p型半導體層13的電阻，tp為p型半導體層13的厚度，tn為n型半導體層11的厚度，ρn為n型半導體層11的電阻。
反射層15堆疊在歐姆接觸層14以及未被歐姆接觸層14覆蓋的p型半導體層13的頂面部分上。反射層15由高度反光材料形成，並反射由有源層12產生的光。反射層15可由由Ag、Ag2O、Al、Zn、Ti、Rh、Mg、Pd、Ru、Pt和Ir組成的組之一形成，從而具有金屬結構以直接反射光。
在如前所述構造的倒裝發光器件中，當將預定電壓施加到p型電極16和n型電極19時，n型半導體層11的電子和p型半導體層13的空穴由於該電壓而集中在有源層12內。接著，這些電子和空穴在有源層12內複合而發光。所發射的光朝各個方向發射，包括朝向並穿過p型半導體層13。然而，傳輸穿過p型半導體層13的部分光被反射層15反射，因此多數光穿過襯底10向外發射。
圖4為說明圖2的倒裝發光器件的電阻結構的等效電路圖。圖5至7為說明了圖2的倒裝發光器件的特性的曲線圖。現在將參考圖4至7解釋圖2的倒裝發光器件的操作和效果。
參考圖4，p型半導體層13被劃分成第一區域和第二區域，其中在第一區域上形成了歐姆接觸層14，在第二區域上未形成歐姆接觸層14而是直接形成反射層15。當電流i注入到反射層15時，電流i的一部分流經第一區域，電流i的其餘部分流經第二區域。也就是說，電流i的一部分流經歐姆接觸層14到達p型半導體層13，電流i的其餘部分直接流到p型半導體層13。經過電阻為ρn的p型半導體層13的電流i流經有源層12和n型半導體層11而到達n型電極19。這裡，第一區域具有相對低的接觸電阻ρc1，第二區域具有相對高的接觸電阻ρc2。經過第一區域的電流i的部分穿過了有源層12端部和n型電極19之間的間隙。然而，經過第二區域的電流i的其餘部分比經過第一區域的電流i的部分在n型半導體層11內傳播了更長的距離，由此受n型半導體層11的電阻ρn的影響更大。因此，注入到反射層15內的電流i區域流經第一區域到達n型電極19。因此，該倒裝發光器件的總電阻與第一區域的面積緊密關聯。
圖5至7為說明在圖2的倒裝發光器件上進行實驗而獲得的特性的曲線圖。在這種情形中，根據本發明的一個實施方案，n型半導體層11為n-GaN層，厚度為2.0×10-4cm，電阻為8.0×10-3Ωcm；p型半導體層13為p-GaN層，厚度為1.5×10-5cm，電阻為2.0Ωcm；p型電極16的接觸電阻為1.0×10-3Ωcm2；倒裝發光器件50的電流擴展長度LS為50μm。
圖5說明了歐姆接觸層14的寬度I和倒裝發光器件的電阻之間的關係。電阻與歐姆接觸層14的寬度I成反比地減小，但是當歐姆接觸層14的寬度I大於特定值時，電阻不再變化。這是因為，當第一區域超過預定水平時，多數電流i流經第一區域。換而言之，當歐姆接觸層14的寬度I超過特定值時，歐姆接觸層14由於電流集聚效應而無法再減小接觸電阻。這裡，當電阻不再變化時形成的歐姆接觸層14的寬度I對應於電流擴展長度LS。
圖6說明，根據本發明的當前實施方案，歐姆接觸層14的寬度與對圖2的倒裝發光器件施加的正向電壓Vf之間的關係。正向電壓Vf代表使流經當前實施方案的倒裝發光器件的電流為20mA所需的工作電壓。參考圖6，正向電壓Vf隨著歐姆接觸層14寬度I的增大而減小，當歐姆接觸層14的寬度大於預定值時，正向電壓Vf不再變化。這是因為，當歐姆接觸層14的寬度I超過預定值時，電阻不再變化，如參考圖5所述。這種情形下，當歐姆接觸層14覆蓋p型半導體層13的整個頂面時，正向電壓Vf約為3.27V；當電流擴展長度LS為50μm時，正向電壓Vf約為3.32V。兩個工作電壓3.27V和3.32V之差約為0.05V，變化微小。
圖7為說明，根據本發明的當前實施方案，歐姆接觸層14的寬度I與圖2的倒裝發光器件的規一化光功率之間關係的曲線圖。這種情形下，當歐姆接觸層14覆蓋p型半導體層13的整個頂面時，倒裝發光器件的光功率在此被定義為1.00的參考光功率。參考圖7，光功率隨著歐姆接觸層14的寬度I的增大而平滑地減小。當歐姆接觸層14的寬度I超過60μm，光功率開始急劇降低。這是因為，當歐姆接觸層14變得更寬時，歐姆接觸層14所吸收的光的數量增大，反射層15的反射效率降低。可以看出，直到歐姆接觸層14的寬度I約等於電流擴展長度LS時，光功率才顯著降低。
參考圖5至7，根據本發明當前實施方案的圖2的倒裝發光器件，具有通過p型半導體層13的頂面上沿產生電流集聚效應的區域部分地形成歐姆接觸層14而不是在p型半導體層13的整個頂面上形成歐姆接觸層14而實現的具有顯著減小的接觸電阻和工作電壓。此外，通過致使反射層15部分地以直接的方式接觸p型半導體層13以增大反射效率，圖2的倒裝發光器件實現了具有改善的光抽取效率。詳細地說，當歐姆接觸層14的寬度I的範圍為0.8LS至1.2LS時，歐姆接觸層14可以完全覆蓋發生電流集聚效應的區域，由此大幅減小所需要的接觸電阻和工作電壓同時維持反射效率。
圖8為根據本發明另一個實施方案的倒裝發光器件的中心單元的剖面視圖，該倒裝發光器件包含多個排列成3×3陣列的單元。由於圖8的倒裝發光器件除了反射層25之外基本上和圖2的倒裝發光器件相似，使用相同的參考數字表示和圖2中相同的元件，並省略了對其的詳細描述。
參考圖8，p型電極26包含歐姆接觸層14和反射層25。歐姆接觸層14沿靠近n型電極19的p型半導體層13的頂面邊緣形成有預定寬度。反射層25覆蓋歐姆接觸層14以及未被歐姆接觸層14覆蓋的p型半導體層13的頂面部分。
反射層25具有通過依次堆疊介電層25a和金屬層25b而形成的全向反射器(ODR)結構。介電層25a形成於未被歐姆接觸層14覆蓋的p型半導體層13的頂面部分上。金屬層25b形成於介電層25a的頂面以及歐姆接觸層14上。介電層25a厚度為λ/4n，其中λ為發射光的波長，n為介電層25a的折射率。介電層25a可由由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氟化鋰、氟化鈣和氟化鎂組成的組之一形成，金屬層25b可由由Ag、Ag2O、Al、Zn、Ti、Rh、Mg、Pd、Ru、Pt和Ir組成的組之一形成。
由於是在金屬層25b之前堆疊介電層25a，介電層25a用做金屬層25b的高度反射塗層，由此進一步改善了反射層25的反射效率。
儘管當歐姆接觸層14沿單個單元倒裝發光器件的p型半導體層13的頂面邊緣形成時電流集聚會變得嚴重，但是由於倒裝發光器件形成如圖2所示的3×3陣列，電流集聚效應可以減緩。然而，本實施方案的倒裝發光器件並不限於陣列結構，倒裝發光器件可包含單個單元，例如單元A(見圖2)，或者是將多個單元排列成各種形式的結構。
如前所述，通過調整掩模的設計，根據本發明的倒裝發光器件實現了具有改進的p型電極結構，由此充分地減小了所需的接觸電阻和工作電壓並同時改善了光抽取效率。
儘管已經參考本發明的示範性實施方案具體地示出和描述了本發明，但是本領域普通技術人員將會理解，在不偏離由權利要求定義的本發明的精神和範圍的情況下，可以對本發明進行形式和細節上的各種修改。
權利要求
1.一種倒裝發光器件，包含襯底；形成於所述襯底的頂面上的n型半導體層；形成於所述n型半導體層的頂面上的有源層；形成於所述有源層的頂面上的p型半導體層；形成於所述p型半導體層的頂面上的p型電極；以及形成於所述n型半導體層的頂面暴露部分上的n型電極，其中所述p型電極包含歐姆接觸層，沿靠近所述n型電極的p型半導體層的頂面的邊緣形成為預定寬度；以及反射層，覆蓋所述歐姆接觸層以及未被所述歐姆接觸層覆蓋的p型半導體層的頂面部分。
2.權利要求1的倒裝發光器件，其中所述歐姆接觸層的寬度I的範圍為0.8LS至1.2LS，其中LS為由LS=(c+ptp)tn/n]]>定義的電流擴展長度，其中ρc為所述p型電極的接觸電阻，ρp為所述p型半導體層的電阻，tp為所述p型半導體層的厚度，tn為所述n型半導體層的厚度，ρn為所述n型半導體層的電阻。
3.權利要求1的倒裝發光器件，其中所述歐姆接觸層是由由Pd、Pt、Ni、Rh、Ti、Ir、Ru、Ga、ZnNi和ITO組成的組之一形成。
4.權利要求1的倒裝發光器件，其中所述反射層是由由Ag、Ag2O、Al、Zn、Ti、Rh、Mg、Pd、Ru、Pt和Ir組成的組之一形成。
5.權利要求1的倒裝發光器件，其中所述反射層具有包含介電層和金屬層的全向反射器結構。
6.權利要求5的倒裝發光器件，其中所述介電層厚度為λ/4n，其中λ為發射光的波長，n為所述介電層的折射率。
7.權利要求5的倒裝發光器件，其中所述介電層是由由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氟化鋰、氟化鈣和氟化鎂組成的組之一形成。
8.權利要求5的倒裝發光器件，其中所述金屬層是由由Ag、Ag2O、Al、Zn、Ti、Rh、Mg、Pd、Ru、Pt和Ir組成的組之一形成。
全文摘要
本發明公開了一種倒裝發光器件，該發光器件包含襯底、形成於襯底頂面上的n型半導體層、形成於n型半導體層頂面上的有源層、形成於有源層頂面上的p型半導體層、形成於p型半導體層頂面上的p型電極、以及形成於n型半導體層頂面的暴露部分上的n型電極。p型電極包含歐姆接觸層，沿靠近n型電極的p型半導體層的頂面的邊緣形成為預定寬度；以及反射層，覆蓋歐姆接觸層以及未被歐姆接觸層覆蓋的p型半導體層的頂面部分。
文檔編號H01L33/40GK101017868SQ20061012804
公開日2007年8月15日 申請日期2006年9月4日 優先權日2006年2月9日
發明者金顯秀, 趙濟熙 申請人:三星電機株式會社